現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉換機理及實(shí)現
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現場(chǎng)總線(xiàn)是20世紀80年代中期發(fā)展起來(lái)的一種先進(jìn)的控制技術(shù)，它的出現被譽(yù)為20世紀90年代工業(yè)控制領(lǐng)域的一場(chǎng)革命[1]。與其他工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )相比，現場(chǎng)總線(xiàn)采用串行的數字通信方式，具有實(shí)時(shí)性好、穩定性高等特點(diǎn)，迅速發(fā)展成為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中使用最廣泛的通信網(wǎng)絡(luò )。目前現場(chǎng)總線(xiàn)的發(fā)展主要呈現以下特點(diǎn)：
① 多種現場(chǎng)總線(xiàn)標準并存
為了反映工業(yè)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的發(fā)展，國際電工委員會(huì )（IEC）于2000年公布通過(guò)了IEC61158現場(chǎng)總線(xiàn)標準，容納了8種互不兼容的控制層協(xié)議。2003年的新版本進(jìn)一步達到了10種現場(chǎng)總線(xiàn)標準，另外還有3種設備級現場(chǎng)總線(xiàn)標準，統稱(chēng)為“10＋3”種現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。
同時(shí)存在這么多種國際標準，原因除了經(jīng)濟利益上的沖突以外，還有著(zhù)客觀(guān)上的原因：
新技術(shù)和新事物的層出不窮，目前沒(méi)有一種現場(chǎng)總線(xiàn)可以滿(mǎn)足所有要求，用戶(hù)不得不根據自己的需要選擇不同的現場(chǎng)總線(xiàn)設備。因此，多種現場(chǎng)總線(xiàn)標準并存的現狀還將持續下去。
② 以太網(wǎng)技術(shù)融入現場(chǎng)總線(xiàn)
在OSI/ISO七層協(xié)議中，以太網(wǎng)本身只定義了物理層和數據鏈路層，它的控制協(xié)議使用TCP/IP協(xié)議:TCP(transmission control protocol)用來(lái)保證傳輸的可靠性；IP(internet protocol)用來(lái)確定信息傳遞路線(xiàn)。
隨著(zhù)過(guò)程控制領(lǐng)域內上層通信與互聯(lián)網(wǎng)通信一樣逐步統一到以太網(wǎng)，將以太網(wǎng)用于工業(yè)控制的呼聲越來(lái)越高。以太網(wǎng)融入現場(chǎng)總線(xiàn)的最大障礙是以太網(wǎng)在數據鏈路層采用CSMA/CD(載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測)介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制協(xié)議，這種協(xié)議在負載較重的情況下，會(huì )因為在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)生碰撞而產(chǎn)生擁塞，影響數據的實(shí)時(shí)性。另外以太網(wǎng)一般抗干擾性能較差，不具備本質(zhì)安全性能，不能向現場(chǎng)儀表供電。但隨著(zhù)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，它的傳送速率大幅度提高，物理層標準的工業(yè)化以及千兆以太網(wǎng)技術(shù)和無(wú)碰撞全雙工光纖技術(shù)的出現，以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)時(shí)性得到提高，使其逐步可以應用在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )中，形成了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)[13]。
與傳統現場(chǎng)總線(xiàn)相比，工業(yè)以太網(wǎng)有著(zhù)明顯的優(yōu)勢。它可以實(shí)現智能化現場(chǎng)設備的功能自治性、系統結構的高度分散性以及監管控一體化，具有低成本、高性能的特點(diǎn)[9]。
現在常用的工業(yè)以太網(wǎng)主要包括美國 Rockwell 公司推出的Ethernet/IP、德國Siemens 公司推出的ProfiNet、法國施奈德公司推出的Modbus/TCP 等[5]。2004 年1 月，IEC/SC65C 將包括中國開(kāi)發(fā)的以太網(wǎng)協(xié)議EPA 在內的6 種非國際標準以太網(wǎng)技術(shù)作為IEC 的PAS（publicly
available specification）文件出版，協(xié)議標準的國際化將使得工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)取得更加迅猛的發(fā)展。
③ 無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展迅速
無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)（R-fieldbus）的提出旨在利用現有的迅猛發(fā)展的無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)，在有線(xiàn)的計算機網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的支持下，實(shí)現一種在工廠(chǎng)的現場(chǎng)設備層的、具有無(wú)線(xiàn)移動(dòng)接入能力的、能傳輸多媒體信息的高性能無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)，使信息能夠從Internet 層，工廠(chǎng)的監控層到現場(chǎng)設備控制層之間實(shí)現無(wú)縫隙的交換與溝通、透明的集成與融合。無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)能夠集成解決工業(yè)環(huán)境下諸如移動(dòng)對象、危險環(huán)境對象與傳統的有線(xiàn)連接對象之間的符合工業(yè)級實(shí)時(shí)要求的、可靠的、兼顧多媒體大容量數據的通信和控制問(wèn)題。
在滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)與有線(xiàn)集成后系統的實(shí)時(shí)性和可靠性要求的前提下，無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)可以在企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的現場(chǎng)層應用無(wú)線(xiàn)數字通信技術(shù)，使它與原有的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有機地集成為一體，讓無(wú)線(xiàn)網(wǎng)段成為有線(xiàn)網(wǎng)段的自然擴展，真正地把每一個(gè)需要接入企業(yè)網(wǎng)絡(luò )的生產(chǎn)設備都連成一體。
無(wú)線(xiàn)現場(chǎng)總線(xiàn)利用了無(wú)線(xiàn)技術(shù)對現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的擴充，在許多場(chǎng)合具有不可替代的作用。開(kāi)始得到人們的重視并迅速發(fā)展，在歐洲將無(wú)線(xiàn)技術(shù)與Profibus 技術(shù)相結合的研究已經(jīng)取得階段性的成功。
2 現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉換機理研究
2.1 協(xié)議轉換研究的必要性
在今后相當長(cháng)的時(shí)間內，多種標準并存將是現場(chǎng)總線(xiàn)發(fā)展的最主要特征。多標準實(shí)際上就是意味著(zhù)沒(méi)有標準，各種總線(xiàn)采用的通信標準的不同以及總線(xiàn)協(xié)議的多樣性和互不兼容性使得總線(xiàn)系統間的互聯(lián)性和互操作性大大降低。另外，不同類(lèi)型的現場(chǎng)總線(xiàn)具有不同的形成背景和使用環(huán)境。如圖1 所示[1]，每一個(gè)應用層次中都有著(zhù)不止一種現場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型可以選擇，但同時(shí)也使得復雜的現場(chǎng)環(huán)境中選擇應用何種現場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型成為一個(gè)問(wèn)題。
圖 1 各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)的應用范圍
面對現場(chǎng)總線(xiàn)領(lǐng)域標準繁多、產(chǎn)品混亂的局面，如何在一個(gè)復雜的控制系統中集成使用各種通信協(xié)議的現場(chǎng)總線(xiàn)設備，如何整合現場(chǎng)總線(xiàn)與以太網(wǎng)產(chǎn)品，已成為現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用的瓶頸?？偨Y目前研究成果，現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議轉換可以在過(guò)程控制級或現場(chǎng)設備級實(shí)現[8]。
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